JP2002326357A - インクジェット式記録ヘッドの駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 画像品質の向上と、印字スピードの高速化を
低コストで実現する。 【解決手段】 インクジェット記録ヘッドの圧電振動子
に、図１（ａ）のような、補助パルスを印加した場合、
Ａ部には図１（ｂ）に示すような残留圧力波によって発
生した電圧振動波形が上畳されて観察される。この振動
波形の周期をＴ、振幅をＶとすると、ノズル面近傍のメ
ニスカスの動きは、残留圧力波の周期Ｔに同期し、ノズ
ル面からの移動距離は振幅Ｖに比例して振動をくり返
す。この残留圧力波の周期Ｔに同期して、補助パルス印
加後に、主パルスを印加すると、インク滴の吐出量を変
化させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、インクジェット式
記録ヘッドの駆動方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】オンデマンド型のインクジェット記録装
置において、高密度による高解像度の記録を記録紙に行
うためには、記録紙に記されるドットの径を小さくする
必要がある。そのためには、ノズルから吐出される液滴
の大きさを小さくする必要がある。ノズルから吐出され
る液滴の大きさを小さくするためには、ノズル開口の径
を小さくすることが考えられるが、ノズル開口の径を小
さくすると、ノズルの目詰りが発生し易く、また、ノズ
ル部分でインク液の摩擦が大きくなり、インク液がノズ
ルから吐出されにくくなる。ノズルを通過するインク液
の流動性との関係から、ノズル開口の径を小さくするに
は自ずと限界がある。そして、ノズル開口の径を小さく
することにより、液滴の大きさをある程度小さくするこ
とは出来るが、その大きさを自由にコントロールするこ
とはできない。

【０００３】この点を解決するために、例えば、特開昭
５９−１４３６５２号公報及び特開昭５９−１４３６５
３号公報に「液体放出装置」が提案されている。この公
報のものは、主パルス電圧が印加される前に、該主パル
ス電圧と同一極性又は反対の極性で、ノズル内の液の先
端位置を決める補助パルスを印加するものである。

【０００４】また、特開昭５９−１７６０５５号公報に
提案されている「オンデマンド型インクジェット記録装
置」は、主パルスに先行して印加する補助パルスのパル
ス幅や波高値、あるいは該補助パルスと主パルスとの時
間間隔を調整可能としたものである。従来、オンデマン
ド型のインクジェットプリンタでは、印字信号の周波数
に対して、図９に示すようにインク吐出量Ｍｊの変動が
大きく、画像上のドット径をばらつかせる原因となって
いた。特に、最高駆動周波数でベタ印字をした場合、画
像の濃度ムラをおこし、著しく画像品質を劣化させる。

【０００５】本発明における駆動方法は、前述した特開
昭５９−１７６０５５号公報や特開昭５９−１４３６５
３号公報および特開昭５９−１４３６５２号公報に開示
されているように、インク滴を吐出させるパルスを印加
する時のインク液面の位置を補助パルスによって制御す
る点で類似するが、上記公報には、補助パルスの印加方
法とインク液面およびインク滴の大きさの具体的関係が
述ベられていない。従って、上記公報に記載された従来
技術では実際に補助パルスによってインク滴の大きさを
制御することは困難である。

【０００６】また、上記公報には、補助パルスの電圧の
高低およびパルス幅の違いによって、インク液面の挙動
は変化し、インク液がノズル内で１回の往復運動を繰り
返すに必要とする時間（インク液振動の周期）が変化す
ると記されている。しかし、インク液の振動周期は、印
加される補助パルスによって発生した圧力波が流路およ
びノズル内に残留し、この残留圧力波の振動周期に一致
すると考えられる。上記残留圧力波の振動の原因は、流
路及びノズルの構造（寸法、材料、形状）と圧電素子の
弾性係数及びインク液の粘性、質量等を含む振動系から
定められる固有振動にインク液が共振するからである。
したがって、補助パルスの波高値およびパルス幅を変化
させても、インク液振動の周期は変化せずその振幅のみ
が変化するという観点が大きく上記従来技術と異なると
ころである。さらに、上記公報に記載されているよう
に、補助パルスと主パルスの信号の極性を反対にするこ
とは、単に駆動回路のコストを上げるだけである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述のごと
き実情に鑑みてなされたもので、画像品質の向上と印字
スピードの高速化を低コストで実現するようにしたイン
クジェット式記録ヘッドの駆動方法を提供することを目
的としてなされたものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、ノズ
ルと該ノズルにインクを供給するインク供給部を有し、
一定周期のインク液共振周波数を有する圧力発生室と、
該圧力発生室を膨張、収縮させる圧電振動子とからなる
インクジェット式記録ヘッドの駆動方法において、前記
インク液共振周波数の振動を発振させ、さらに少なくと
も圧力発生室構造から定まる固有振動に共振して生じる
インク液の残留圧力波の周期に応じて印刷に適したイン
ク滴を吐出させることを特徴としたものである。

【０００９】請求項２の発明は、ノズルと該ノズルにイ
ンクを供給するインク供給部を有し、一定周期のインク
液共振周波数を有する圧力発生室と、該圧力発生室を膨
張、収縮させる圧電振動子とからなるインクジェット式
記録ヘッドの駆動方法において、前記圧力発生室を急激
に膨張させることで前記インク液共振周波数の振動を発
生させその残留圧力波にてメニスカスに励起してインク
滴を吐出させることを特徴としたものである。

【００１０】

【発明の実施の形態】まず、図２（ａ）,（ｂ）は、本
発明による液体噴射記録装置に使用する液体噴射記録へ
ッドを説明するための構成図で、図（ａ）は断面図、図
（ｂ）は図（ａ）のＡ−Ａ線矢視拡大図である。図中、
１は基板、２は圧電素子、２ａは非駆動圧電素子、２ｂ
は駆動圧電素子、３は流路板、３ａはインク流路、３ｂ
は壁部、４は共通液室構成部材、４ａは共通液室、５は
インク供給パイプ、６はノズルプレート、６ａはノズ
ル、７は駆動用回路プリント板（ＰＢＣ）、８はリード
線、９は駆動電極、１０は充填剤、１１は保護板、１２
は流体抵抗、１３，１４は内部電極、１５は上部隔壁で
ある。

【００１１】集積化されたヘッドにおいて、内部電極１
３，１４を有する積層された圧電素子２は、流路３ａに
対応して、該流路３ａ方向に溝加工が施され、溝１０、
駆動圧電素子２ｂ、非駆動圧電素子２ａに区分される。
溝１０には充填剤が封入されている。溝加工が施された
圧電素子２には上部隔壁１５を介して流路板３が接合さ
れる。すなわち前記上部隔壁１５は、非駆動圧電素子２
ａと隣接する流路を隔てる壁部３ｂとで支持される。駆
動圧電素子２ａの幅は流路３ａの幅よりも僅かに狭く、
駆動用回路プリント板（ＰＣＢ）上の駆動回路により選
択された駆動圧電素子２ｂにパルス状信号電圧を印加す
ると、該駆動圧電素子２ｂは厚み方向に変位し、上部隔
壁１５を介して流路３ａの容積が変化し、その結果ノズ
ル板６のノズル６ａよりインク液滴を吐出する。

【００１２】このように、図２に示すインクジェットヘ
ッドの構造において、残留振動はパルス幅を２Ｌ／Ｃｓ
の自然数倍（Ｌは加圧液室の長さ、Ｃｓは圧力波の速
度）に設定するか、または残留振動の減衰量に応じてパ
ルスの立ち下げ時間を操作することで大幅に低減でき
る。しかし、設計や製造段階で駆動波形を決めても、残
留振動は液室構造と圧電体及びインク流体の系からくる
固有振動数によるものであり、ヘッドの使用環境（温
度、湿度、経時的な劣化）が変化すると残留振動も変化
する。従って、駆動波形もそれに応じて調整しなければ
ならない。

【００１３】図１（ａ）,（ｂ）は、本発明による液体
噴射記録装置に使用する液体噴射記録ヘッドを説明する
ための図で、残留圧力波とメカニカス駆動について述べ
る。図１（ａ）のように、補助パルスを印加した場合、
Ａ部には、図（ｂ）のような残留圧力波によって発生し
た電圧振動波形が上畳されて観察される。この振動波形
の周期をＴ、振幅をＶとすると、ノズル面近傍のメニス
カスの動きは、残留圧力波の周期Ｔに同期し、ノズル面
からの移動距離は振幅Ｖに比例して振動をくり返す。こ
の残留圧力波の周期Ｔに同期して、補助パルス印加後に
主パルスを印加すると、インク滴の吐出量を変化させる
ことができる。

【００１４】図３（ａ）〜（ｃ）は、残留圧力波とメニ
スカス（ノズル面からのインク液面の位置）を示す図で
ある。図（ａ）は、図１（ｂ）における時刻ｔ＝ｔａの
時点で主パルスを印加したもので、残留圧力波は正圧の
極大をとり、メニスカスの位置は図（ａ）に示すように
ノズル面から突出する。図（ｂ）は、図１（ｂ）におけ
る時刻ｔ＝ｔｂの時点で主パルスを印加したもので、液
面の表面張力と大気圧が釣り合った状態であり、メニス
カスの位置は図（ｂ）に示すようにノズル面とほぼ同じ
位置になる。図（ｃ）は、図１（ｂ）における時刻ｔ＝
ｔｃの時点で主パルスを印加したもので、残留圧力波が
負圧の極大をとるので、メニスカスの位置は図（ｃ）に
示すように、ノズル面の内方へ引き込まれた状態にあ
る。このとき、印加する補助パルスのパルス幅Ｐｗ２ま
たは、波高値Ｖｐ２を変化させてもメニスカス振動の振
幅量が変わるだけで、振動の周期は変化しない。

【００１５】図４（ａ）〜（ｃ）は、メニスカス振動の
一定周期性と主パルス印加のタイミングの関係を示す図
で、図５（ａ）〜（ｃ）は、主パルス印加のタイミング
をインク滴の吐出の状態を示す図である。図４（ａ）〜
（ｃ）と図５（ａ）〜（ｃ）は、図３（ａ）〜（ｃ）に
各々対応している。図４（ａ）において、補助パルス
（Ｐｗ２，Ｖｐ２）と主パルス（Ｐｗ１，Ｖｐ１）との
遅延時間をＴｄとすると、Ｔｄ＝ｔａ＝Ｔであり、その
場合のメニスカスの位置は前述した図３（ａ）であり、
その状態から主パルス（Ｐｗ１，Ｖｐ１）が印加される
ので、図５（ａ）に示すようにインク滴が吐出する。こ
の場合のインク吐出量ＭｊはＭｊａである。図４（ｂ）
において、補助パルス（Ｐｗ２，Ｖｐ２）と主パルス
（Ｐｗ１，Ｖｐ１）との遅延時間はＴｄ＝Ｔｂ＝（５／
４）Ｔであり、その場合のメニスカスの位置は、前述し
た図３（ｂ）となり、その状態から主パルス（Ｐｗ１，
Ｖｐ１）が印加されるので、図５（ｂ）に示すようにイ
ンク滴が吐出する。この場合のインク吐出量ＭｊはＭｊ
ｂである。図５（ａ）の場合と、図５（ｂ）の場合とを
比較すると、インク滴の吐出量は図５（ａ）の場合が多
くなる。すなわちＭｊａ＞Ｍｊｂである。

【００１６】図４（ｃ）において、補助パルス（Ｐｗ
２，Ｖｐ２）と主パルス（Ｐｗ１，Ｖｐ１）との遅延時
間は、Ｔｄ＝ｔｃ＝（３／２）Ｔであり、その場合のメ
ニスカスの位置は前述した図３（ｃ）となり、その状態
から主パルス（Ｐｗ１，Ｖｐ１）が印加されるので、図
５（ｃ）に示すようなインク滴が吐出する。この場合の
インク吐出量はＭｊはＭｊｃである。図５（ｂ）の場合
と図５（ｃ）の場合とを比較すると、インク滴の吐出量
は図５（ｂ）の場合が多くなる。すなわちＭｊｂ＞Ｍｊ
ｃである。このように、残留圧力波の周期にあわせて、
補助パルス印加後に、主パルスを印加すると、図６に示
すように、インク滴吐出量Ｍｊを変化させることができ
る。

【００１７】図６からわかるように、Ｍｊを極大にさせ
るＴｄはＴｄ＝Ｔに限らず、Ｔの整数倍であればよく、
またＭｊを極小にさせるＴｄはＴｄ＝（３／２）Ｔに限
らず、（１／２）Ｔの奇数倍であればよい。補助パルス
の印加そのもので、インク滴が吐出してしまうと、紙面
を汚し、画像品質を損ねてしまうので、図７，図８に示
すようにパルス幅Ｐｗ２とその波高値Ｖｐ２は制限され
る。Ｐｗ２は、残留圧力波の最大振幅ＶｍがＶｍ０を越
えるようなパルス幅に設定すると、補助パルス自身でイ
ンク滴を吐出させてしまう。またＶｍ＜Ｖｍ０であれ
ば、Ｐｗ２が大きい方が、Ｍｊ変動量△Ｍｊは大きくな
る。また、Ｖｐ２も同様に、Ｖｍ＞Ｖｍ０の場合は、補
助パルス自身によってインク滴が吐出してしまうが、Ｖ
ｍ＜Ｖｍ０であれば、Ｖｐ２が大きい方が、△Ｍｊは大
きい。とくに、駆動回路の構成を考えた場合は、Ｖｐ１
＝Ｖｐ２と設定したほうが、低コスト化に有利である。

【００１８】以上のようにＰｗ２とＶｐ２を変化させる
ことで、残留圧力波の振幅を変えることができるので、
インク滴面の位置を変化させることができるが、圧力波
の振幅を変動させると、メニスカスの振動が不安定にな
り、ひいては気泡を吸い込んで主パルスによるインク滴
吐出が不能になる場合もある。従って、Ｐｗ２またはＶ
ｐ２を可変させるよりも、残留圧力波の周期に合わせて
Ｔｄを変化させるほうが好ましい。

【００１９】次に、本発明の具体例について説明する。 具体例１ 図２のようなヘッド構造において、パルス波高値Ｖｐ１
＝Ｖｐ２＝２２（Ｖ）、主パルス幅Ｐｗ１＝１４（μ
ｓ）、補助パルス幅Ｐｗ２＝７（μｓ）、遅延時間Ｔｄ
＝Ｔ＝２８（μｓ）（Ｔは残留圧力波の周期）として、
駆動したところ、ｆ＝８ＫＨｚでの吐出量がＭｊ＝９０
×１０^-9（ｃｃ）からＭｊ＝１２０×１０ ^-9（ｃｃ）へ
増加し、べた画像（ｆ＝８ＫＨｚで印字）の濃度ムラが
なくなり、画像印質が著しく向上した。 具体例２ 本発明にてドット径変調を実現するには、Ｔｄを濃度信
号に合わせて可変させる場合、Ｔｄ＝Ｔ〜（３／２）Ｔ
まで可変させれば、△Ｍｊのインク滴吐出量の変動が得
られる。また、より精密に吐出量を制御させたい場合
は、残留圧力波の減衰を利用して、Ｔｄの変化量△Ｔｄ
を大きく取り、振幅Ｖの極大点、極小点を多くとって、
Ｔｄの設定点を多くすればよい。

【００２０】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によると、残留圧力波の周期にあわせて、インク吐出用
駆動信号印加タイミングを設定することで、インク滴の
吐出量を自由に可変することができるので、低コストな
駆動回路で安定した高画像品質、高速印字が実現でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明による液体噴射記録装置に使用する液
体噴射記録ヘッドの駆動方法を説明するための構成図で
ある。

【図２】 本発明による液体噴射記録装置に使用する液
体噴射記録ヘッドを説明するための構成図である。

【図３】 残留圧力波とメニスカスの関係を示す図であ
る。

【図４】 メニスカス振動の一定周期性と主パルス印加
のタイミングの関係を示す図である。

【図５】 主パルス印加のタイミングとインク滴の吐出
の状態を示す図である。

【図６】 主パルス印加のタイミングとインク滴の吐出
量の変化を示す図である。

【図７】 パルス幅とインク滴吐出量の関係を示す図で
ある。

【図８】 波高値とインク滴吐出量の関係を示す図であ
る。

【図９】 印字信号の周波数に対するインク滴の吐出量
を示す図である。

【符号の説明】

１…基板、２…圧電素子、２ａ…非駆動圧電素子、２ｂ
…駆動圧電素子、３…流路板、３ａ…インク流路、３ｂ
…壁部、４…共通液室構成部材、４ａ…共通液室、５…
インク供給パイプ、６…ノズルプレート、６ａ…ノズ
ル、７…駆動用回路プリント板（ＰＢＣ）、８…リード
線、９…駆動電極、１０…充填剤、１１…保護板、１２
…流体抵抗、１３，１４…内部電極、１５…上部隔壁。

フロントページの続き (72)発明者 平田 俊敞 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株式 会社リコー内 (72)発明者 稲田 俊生 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株式 会社リコー内 Ｆターム(参考） 2C057 AF05 AM15 AM17 AM21 AR16 BA03 BA14

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ノズルと該ノズルにインクを供給するイ
   ンク供給部を有し、一定周期のインク液共振周波数を有
   する圧力発生室と、該圧力発生室を膨張、収縮させる圧
   電振動子とからなるインクジェット式記録ヘッドの駆動
   方法において、前記インク液共振周波数の振動を発振さ
   せ、さらに少なくとも圧力発生室構造から定まる固有振
   動に共振して生じるインク液の残留圧力波の周期に応じ
   て印刷に適したインク滴を吐出させるインクジェット式
   記録ヘッドの駆動方法。
2. 【請求項２】 ノズルと該ノズルにインクを供給するイ
   ンク供給部を有し、一定周期のインク液共振周波数を有
   する圧力発生室と、該圧力発生室を膨張、収縮させる圧
   電振動子とからなるインクジェット式記録ヘッドの駆動
   方法において、前記圧力発生室を急激に膨張させること
   で前記インク液共振周波数の振動を発生させその残留圧
   力波にてメニスカスに励起してインク滴を吐出させるイ
   ンクジェット式記録ヘッドの駆動方法。